2023, Vol. 44
2. 北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室, 北京 100083
2. Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
生态系统服务是指人类从生态系统中获得的各种直接和间接利益, 主要包括有形的物质产品供给和无形的服务提供两方面[1, 2].生态系统服务作为衔接生态系统和社会系统之间的纽带[3], 其相关研究发展迅速, 相关的科学问题受到地理学[4]、生态学[5]和经济学[6]等许多领域内的学者关注.随着社会的发展, 人类对自然资源的过度开采以及不合理利用导致生态环境的退化变得越来越严重, 从而生态系统提供生态系统服务的能力也正以前所未有的速度在下降[7~9].根据2005年联合国公布的千年生态系统评估报告显示, 全球24项生态系统服务中有15项正在退化, 且未来这一趋势还会加剧[10].因此, 为减少由生态环境变化引起的生态系统服务的负面影响, 有必要监测和评估生态系统的时空变化, 并探究其背后的驱动机制, 从而通过对生态系统的保护和管理来加强生态系统服务的供给.
有研究发现, 土地利用和气候变化是导致生态系统变化的主要驱动力[11, 12].作为生态系统的载体, 土地利用变化影响生态系统服务主要有面积变化、方式变化和空间格局变化这3种表现形式, 它通过影响土壤侵蚀、能量交换、水循环和碳氮循环等生态过程来改变生态系统服务的供应, 从而对生态系统服务的供需匹配关系产生影响[13~16].气候变化决定了生态系统服务的时空分布, 它通过直接或间接改变水文过程、水分能量分布和二氧化碳浓度等来影响生态系统服务[17~19].同时, 土地利用和气候之间还会相互影响.例如, 气候会影响植被的长势从而对土地利用产生影响, 而植被也会通过释放更多的二氧化碳和改变地面反射率来对气候产生影响[20, 21].现在已有许多研究对土地利用和气候变化综合影响下的生态系统服务变化进行分析, 例如, Peng等[22]对喀斯特地貌不同区域内土地利用和气候变化对生态系统服务的影响进行比较; 李文静等[23]分析了土地利用和气候变化对北三河流域水源供给的影响; 温旭丁等[24]探究港珠澳大湾区植被净初级生产力对土地利用和气候变化的响应.当前对农牧交错带生态系统服务的研究主要集中在生态系统服务价值、时空变化和相互关系等方面.例如, 张建宁等[25]研究了农牧交错带中耕地变化对生态系统服务价值的影响; 仲俊涛等[26]分析了宁夏盐池农牧交错带中封禁草地的碳储存、水源涵养和土壤保持的生态系统服务空间权衡与协同关系.目前很少有人针对影响农牧交错带生态系统服务变化的驱动因素进行探索研究.因此, 为了制定合理有效的生态系统管理和土地利用策略, 迫切需要研究和探讨土地利用和气候变化对农牧交错带生态系统的影响及其驱动机制.
内蒙古奈曼旗是我国农牧交错带的典型地区, 也是科尔沁沙地最具代表性的地区之一.在气候变化和人类活动的双重影响下, 奈曼旗脆弱的生态环境面临严峻挑战.以往对奈曼旗生态系统服务的研究主要集中在生态补偿和生态系统服务价值等方面[27, 28], 而生态系统服务驱动机制未见分析.因此本研究基于InVEST模型、修正风蚀方程(RWEQ)和修正通用土壤流失方程(RUSLE)评估了奈曼旗2005年和2015年产水服务、防风固沙服务和土壤保持服务, 并运用贡献率公式、地理探测器和皮尔逊相关系数等方法分析了土地利用和气候变化对这3种生态系统服务的影响, 以期为该区生态系统管理和可持续的绿色发展提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况奈曼旗位于内蒙古自治区通辽市西南端, 下辖8个镇、4个苏木和两个乡, 它的经纬度范围介于东经120°19′~121°35′和北纬42°14′~43°32′之间, 总面积约8 138 km2(图 1).奈曼旗属于典型的温带大陆性季风气候, 年内降水分布不均, 降水主要集中在每年的5~10月, 约占全年总降水量的70%, 年平均降水量340~370 mm, 年平均气温6.0~6.5℃.土壤主要以栗钙土、黑钙土和栗褐土为主, 但是因为长期的风蚀作用已有许多地区开始退化为风沙土.
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图 1 研究区地理位置示意 Fig. 1 Location of the study area |
本研究所需数据来源详情见表 1, 其中, 气象数据主要包括降水、温度和风速这3类, 由于奈曼旗内气象站点较少, 为提高数据精度, 将范围扩大到相邻省市, 共选取10个站点.同时为防止单年极值的情况出现, 分别以2003~2007年和2013~2017年气候数据的均值作为2005年和2015年的气候数据.此外, 将所有栅格数据空间分辨率统一为30 m×30 m, 投影坐标系统一为WGS_1984_UTM_Zone_51N.
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表 1 数据来源介绍1) Table 1 Introduction of data sources |
1.3 生态系统服务指标
奈曼旗位于科尔沁沙地腹地, 风沙灾害严重.因此, 在考虑当地条件、评估方法的可行性和数据的可用性后, 本研究选择产水量、土壤保持和防风固沙这3项生态系统服务作为分析对象, 主要公式如表 2所示.
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表 2 生态系统服务评估方法 Table 2 Assessment method of ecosystem services |
1.3.1 产水量
产水量在农业灌溉、改善生态和人民的生产生活中发挥着关键作用.本研究使用InVEST模型中的Water Yield模块, 此模块根据水量平衡原理和Budyko曲线估算研究区的产水量.其计算原理为：将流域内所有降水减去实际蒸散损失的部分作为产水量, 并假设其经过汇流全部到达分水岭出口.详细操作方法参看《InVEST模型使用手册》[31].
1.3.2 防风固沙土壤风蚀是造成干旱区半干旱区土地荒漠化和土壤退化的主要原因, 奈曼旗受风沙危害严重, 不但导致土壤退化、土地生产力降低还会影响农业生产和食物安全.目前修正风蚀方程(RWEQ)使用最为广泛, 本文参考邢丽珠等[32]和彭婉月等[33]的研究来衡量奈曼旗的防风固沙量.
1.3.3 土壤保持土壤保持是生态系统防止和缓解土壤侵蚀的能力.通用土壤流失方程是现在应用最广泛的计算土壤保持量的模型之一.经过几十年的发展和改进, 通用土壤流失方程不断更新.本研究使用《生态保护红线划定指南》[34]中的修正通用土壤流失方程(RUSLE)来评估奈曼旗的土壤保持量.
1.4 生态系统服务变化主导因素识别土地利用和气候变化对生态系统服务的影响可分为3种：①仅由土地利用变化引起的影响; ②仅由气候变化引起的影响; ③土地利用和气候变化的综合影响.因此, 可以通过计算这两个因素单独影响的贡献率, 而贡献率较大的因素被认定为生态系统服务变化的主导因素.计算公式如下：
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式中, ES1表示2005年的生态系统服务; EScli表示由2015年的气候数据和2005年的土地利用数据模拟的生态系统服务; ESlu表示由2015年的土地利用数据和2005年的气候数据模拟的生态系统服务; ΔEScli表示气候变化引起的生态系统服务变化; ΔESlu表示土地利用变化引起的生态系统服务变化; Rcli表示气候变化的贡献率, Rlu表示土地利用变化的贡献率.
1.5 空间分异性主导因素识别地理探测器可探测各种土地利用类因子和气候类因子对产水量、防风固沙量和土壤保持量变化的影响.本研究依据实际情况和软件运行结果, 土地利用类因子选取DEM、土地沙化程度、NDVI变化、土地利用变化和地形起伏度这5项因子, 气候类因子选取潜在蒸散变化、实际蒸散变化、年降水量变化、年均温度变化、最低温度变化和最高温度变化这6项因子.
地理探测器主要包括因子探测器、风险探测器、生态探测器和交互作用探测器这4个模块[35].本研究中使用其中的因子探测器和风险探测器.因子探测器用于探测每个自变量对各生态系统服务变化空间分异性的解释能力, 用q值表示, q越大表明该自变量对空间分异性的贡献越大.
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(5) |
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(6) |
式中, q表示自变量能够解释(100×q)%的防风固沙服务功能的空间分异性; SSW表示不同层内方差之和; SST表示全区总方差; h表示自变量的分层状况; L表示层数; Nh和N表示h层内单元数和全区单元数; σh2和σ2表示h层内防风固沙服务功能的方差和全区防风固沙服务功能的方差.
风险探测器可以通过各层级间的差异显著性(置信水平95%)探测所有影响因子引起各生态系统服务变化最大的区域, 一般使用t检验来验证：
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(7) |
式中, Yh表示h层内的属性均值; nh表示子区域h内样本数量; Var表示方差.
1.6 权衡与协同关系生态系统服务之间存在着彼此制约的权衡关系或同步改变的协同关系.探究生态系统服务之间的权衡与协同关系, 能够更好地把握生态系统服务的变化趋势, 对于理解生态系统服务间的相互作用机制具有重要意义.本研究使用皮尔逊相关系数来分析奈曼旗生态系统服务变化之间的相关性.
2 结果与分析 2.1 生态系统服务变化在降水、温度和地形等自然因素和各种人为因素的共同影响下, 3项生态系统服务在2005年和2015年间呈现不同的时空格局(图 2).奈曼旗产水量呈现南部、中部高, 北部、中南部低的空间分布格局, 最高值主要集中在中部的建筑用地附近, 最低值主要分布在水域附近.从统计分析来看, 2005年产水量平均值为88.84 mm, 最大值为226.54 mm; 2015年产水量平均值为108.75 mm, 最大值为257.53 mm, 增幅22.41%, 产水深度增加范围在0~100 mm之间.但是, 产水量的增加并不意味着原本匮乏的水资源变得充裕, 由于降水集中, 人类的不合理利用和生态环境破坏等因素, 水资源现状依旧不容乐观.
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图 2 2005年和2015年产水量、防风固沙和土壤保持的空间分布及变化 Fig. 2 Changes in spatial distribution of water yield, windbreak, and sand-fixing and soil retention in 2005 and 2015 |
防风固沙量呈现由南向北逐渐减小的趋势.从时间上看, 防风固沙量从2005年的7.08×106 t减少到2015年的2.39×106 t, 减小了66.24%. 2005年防风固沙量平均值为0.86kg·m-2, 最大值为2.11kg·m-2; 2015年防风固沙量平均值为0.29kg·m-2, 最大值为1.13kg·m-2.
土壤保持量呈现由南部向中部, 由东北向西南逐渐减小的空间格局.土壤保持能力较高的土地一般为林地、灌丛和草地.2005年土壤保持量平均值为24.77t·(hm2·a)-1, 最大值为15 359.47 t·(hm2·a)-1; 2015年土壤保持量平均值为26.44t·(hm2·a)-1, 最大值为15 171.29 t·(hm2·a)-1, 增幅6.74%.
2.2 生态系统服务变化的主导因素 2.2.1 产水量土地利用和气候变化对产水量变化的影响如图 3所示, 通过比较2005年和2015年土地利用和气候变化对产水量的贡献率, 可以找出驱动产水量变化的主要因素.以土地利用变化为主要贡献因子的土地共有542.67 km2, 约占发生土地利用变化总面积的31.03%; 以气候变化为主要贡献因子的土地共有1 206.33 km2, 约占发生土地利用变化总面积的68.97%, 说明奈曼旗产水量变化主要受气候变化的控制.同时可以发现, 土地利用变化对产水量的贡献率较低, 贡献率主要为0%~20%, 贡献率较高的地区主要集中在奈曼旗的西北部和中部.土地利用变化对产水量变化正影响的地区主要集中在中部和北部部分地区, 而负影响地区主要分布在西北部.气候变化对产水量的贡献率较高, 贡献率主要为80%~100%, 贡献率高值区遍布奈曼旗全境, 且全部为正影响.
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(a)产水量变化的主导因素; (b)气候变化对产水量变化的贡献率; (c)土地利用变化对产水量变化的贡献率 图 3 气候变化和土地利用变化对产水量影响的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of impacts of climate change and land use change on water yield change |
土地利用和气候变化对防风固沙量变化的影响如图 4所示, 通过比较2005年和2015年土地利用和气候变化对防风固沙量的贡献率, 可以找出驱动防风固沙量变化的主要因素.共有245.49 km2的面积是以土地利用变化为主要贡献因子, 约占发生土地利用变化总面积的14.16%; 以气候变化为主要贡献因子的土地共有1 488.36 km2, 约占发生土地利用变化总面积的85.84%, 这说明奈曼旗防风固沙量的变化主要受气候变化的控制.土地利用变化对防风固沙量的贡献率较低, 贡献率主要为0%~20%, 贡献率较高的地区主要集中在奈曼旗的西北部和中部.土地利用变化对防风固沙量变化正影响的地区主要分布在中部和南部, 负影响的地区主要散落在奈曼旗北部.气候变化对防风固沙量的贡献率较高, 贡献率主要为80%~100%, 贡献率高值区遍布奈曼旗全境, 且全部为负影响.
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(a)防风固沙量变化的主导因素; (b)气候变化对防风固沙量变化的贡献率; (c)土地利用变化对防风固沙量变化的贡献率 图 4 气候变化和土地利用变化对防风固沙量影响的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of impacts of climate change and land use change on windbreak and sand-fixing change |
土地利用和气候变化对土壤保持量变化的影响如图 5所示, 通过比较2005年和2015年土地利用和气候变化对土壤保持量的贡献率, 可以找出驱动土壤保持量变化的主要因素.以气候变化为主要贡献因子的土地共有250.06 km2, 约占发生土地利用变化总面积的25.87%; 以土地利用变化为主要贡献因子的土地共有716.55 km2, 约占发生土地利用变化总面积的74.13%, 这说明奈曼旗土壤保持量的变化主要受土地利用变化的控制.气候变化对土壤保持量的贡献率较低, 贡献率主要为0%~20%, 贡献率较高的地区主要分布在奈曼旗的西南部和西北部.土地利用变化对土壤保持量的贡献率较高, 贡献率主要为80%~100%, 贡献率较高的地区主要分布在除奈曼旗西南部之外的地区.土地利用变化对土壤保持量变化主要为正影响, 影响区域均匀地分布在奈曼旗各处.
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(a)土壤保持量变化的主导因素; (b)气候变化对土壤保持量变化的贡献率; (c)土地利用变化对土壤保持量变化的贡献率 图 5 气候变化和土地利用变化对土壤保持量影响的空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of impacts of climate change and land use change on soil retention change |
利用因子探测器探究不同影响因子对产水量变化、防风固沙量变化和土壤保持量变化空间分异性的解释力(图 6).结果表明, 各因子对产水量变化和防风固沙量变化有着显著影响, 而土壤保持量变化的空间分异性受这些因子的影响十分有限.产水量变化的空间分异性主要受实际蒸散变化和土地利用变化的影响, 其解释力分别为94.50%和50.05%. 防风固沙量变化的空间分异性主要受实际蒸散和土地沙化程度的影响, 其解释力分别为19.84%和16.15%.
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图 6 奈曼旗各影响因子对生态系统服务空间分异性的影响程度 Fig. 6 Influence of different driving factors on spatial stratified heterogeneity of ecosystem service in Naiman Banner |
风险探测器可以探测各因子影响生态系统服务变化最大的区域, 由于所有因子对土壤保持量变化的空间分异性影响都较低, 所以这里不对其进行讨论.由土地利用变化引起的产水量变化的高值区主要集中在荒地、草地、农田和水域转变为建筑用地的地区, 而由土地沙化程度引起的防风固沙量变化的高值区主要集中在固定沙地上.
2.4 生态系统服务之间的关系厘清生态系统服务之间的权衡与协同关系, 能够为理解生态系统服务之间的相互作用机制以及后续生态系统管理提供理论基础.本研究分别计算2005年和2015年的产水量、防风固沙量和土壤保持量之间的皮尔逊相关系数, 以此来确定各生态系统服务之间的相互关系.由表 3可知, 奈曼旗的防风固沙-产水服务呈现弱显著的正相关关系, 说明防风固沙和产水量是弱显著的协同关系.而土壤保持-产水服务和土壤保持-防风固沙服务虽然也存在着协同或权衡关系, 但是二者之间的影响力十分有限.
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表 3 生态系统服务间的皮尔逊相关系数1) Table 3 Pearson correlation coefficients between different ecosystem services |
3 讨论
量化区域生态系统服务变化和空间分异性的影响因素并揭示其主要驱动因子有助于管理者们有针对性地实施生态优化和调控措施[36].本研究在分析2005年和2015年奈曼旗产水服务、防风固沙服务和土壤保持服务时空变化的基础上, 探究土地利用和气候变化对生态系统服务变化和空间分异性的影响机制, 为生态系统服务优化提供了定量依据, 也为类似研究提供了参考.本研究的模型模拟结果与其他奈曼旗或临近地区的研究结果一致.例如李鑫等[37]的研究表明京津冀北部2000~2019年平均产水深度为60~120 mm, 在本研究中2005~2015年奈曼旗平均产水深度为88~108 mm; 王耕等[38]的研究表明辽西北地区2020年单位面积防风固沙量为0.26kg·m-2, 本研究中2015年奈曼旗单位面积防风固沙量为0.29kg·m-2; 金海珍等[39]的研究表明科尔沁沙地东南部2000~2018年平均土壤保持量为26.30 t·(hm2·a)-1, 本研究中2015年奈曼旗平均土壤保持量为26.44t·(hm2·a)-1.
土地利用和气候变化是引起生态系统服务变化的主要影响因素, 其对生态系统服务的影响主要有正影响和负影响两种[22].土地利用对产水量、防风固沙量和土壤保持量正影响的主要原因是因为植被覆盖度低的荒地和水域转变为植被覆盖度高的农田和草地的缘故; 而负影响主要是生态环境破坏导致科尔沁沙地蔓延、草地退化为荒地所造成的.气候变化对产水量和土壤保持量主要为正影响, 这是因为奈曼旗降水量的整体增加, 从2005年的367.79 mm增加到2015年的392.45 mm, 增幅6.70%; 而气候变化对防风固沙量主要为负影响, 这是因为近60年间科尔沁沙地无论是年平均风速还是四季平均风速都呈显著下降的趋势[40], 从而在根本上减小了风蚀, 所以防风固沙量也就随之减小.需要指出的是, 防风固沙量的减小并不意味着防风固沙能力的降低, 相反, 奈曼旗近些年通过实施一系列诸如三北防护林、退耕(牧)还林还草、国家造林补贴、森林植被恢复和重点区域绿化等林业生态工程建设, 使得植被覆盖度增加、生态环境得到改善, 最终防风固沙能力得到了加强.
奈曼旗产水量的空间分异性主要受土地利用变化和实际蒸散变化的影响.这与戴尔阜等[41]、丁鸿浩等[42]和黄欣等[43]研究的结果一致, 不过在他们的研究中降水量对产水量的影响十分显著, 而在本研究中降水量变化对产水量变化的空间分异性只有5.23%的解释力.这可能是因为2005~2015年奈曼旗土地利用的转化十分频繁, 尤其是对产水量影响最大的建筑用地和水域, 在这10年间共有183.59 km2的面积发生转化, 占土地利用变化总面积的10.46%. 同时, 建筑用地等土地利用变化是根据人类生产生活需要建造的, 位置相对集中.而降水量的变化在空间分布上却相对比较均匀, 而且奈曼旗在2005~2015年降水变化较小, 仅增加了21.96 mm, 所以才会出现降水量变化对产水量变化的空间分异性影响较低的现象.防风固沙量的空间分异性主要受实际蒸散变化和土地沙化程度的影响, 这同王晓峰等[44]研究的结果一致, 这是因为实际蒸散量变化与降水、温度和土地利用类型变化有着很高的相关性; 而不同的土地沙化程度, 土壤的含水量和养分等理化性质也会有区别, 这些区别会导致土壤抗风蚀能力有所差异, 进而导致防风固沙量的空间分异性.根据风险探测器显示, 由土地利用变化和实际蒸散变化引起产水量变化的高值区主要集中在建筑用地附近, 这与前人研究的结果一致[45~47].这是因为建筑用地会增加不透水面积, 导致降水下渗受阻, 从而大大增加产水量.由土地沙化程度不同引起的防风固沙服务高值区主要集中在固定沙丘附近, 这是因为固定沙地地表稳定, 风沙活动不明显, 所以防风固沙量较高.
2005~2015年随着奈曼旗生态环境建设和社会经济的快速发展, 奈曼旗自然环境好转、植被覆盖率增加、沙地蔓延得到抑制.在未来的城镇建设和生态保护措施实施过程中势必会对生态系统服务产生新的影响, 因此, 笔者建议：①对于西北部沙地为主的区域可适当提高灌草植被的比例, 这样既能发挥防风固沙、保持水土等作用, 也可以减少蒸散, 避免水资源的浪费.②对于北部草地为主的区域可在破坏严重的地方实行封禁管理, 在牧区制定合理的放牧制度, 从而实现畜草平衡.③对于南部耕地为主的区域可引进喷灌等先进节水灌溉技术, 设置贮水沟等农田蓄水设施提高自然降水利用率.④对于城市化建设应当合理规划、统筹, 继续将生态保护摆在优先位置.⑤加强奈曼旗的林地、草地保护力度, 巩固各项重点林业生态工程建设成果.
本文初步揭示了土地利用和气候变化对生态系统服务变化的影响, 但在整个生态系统服务评价中还有一些不确定性和不足.首先本研究使用的土壤数据空间分辨率较低, 可能会缺失部分信息.其次, 本研究仅对奈曼旗产水服务、防风固沙服务和土壤保持服务这3项生态系统服务进行分析, 而更多的生态系统服务探究有助于全面了解生态系统服务变化机制.最后, 在本研究中土壤保持服务变化的空间分异性受现有因子的影响都十分有限, 今后的研究可增加更多的因子从而更为全面探究影响土壤保持服务变化空间分异性的因素, 以弥补本研究的不足.
4 结论(1) 奈曼旗产水服务和土壤保持服务整体呈上升趋势, 而防风固沙服务整体呈下降趋势.其中产水服务的高值区主要集中在建筑用地附近, 低值区主要集中在水域附近; 土壤保持服务和防风固沙服务高值区主要集中在林地、灌丛和草地附近, 低值区主要集中在荒地附近.
(2) 产水服务和防风固沙服务变化主要受气候变化的影响, 影响面积分别占土地利用变化总面积的68.97%和85.84%, 影响力主要为80%~100%; 土壤保持服务变化主要受土地利用变化的制约, 影响面积占土地利用变化总面积的74.13%, 影响力同样集中在80%~100%.
(3) 影响产水服务变化空间分异性的主要因子是实际蒸散变化和土地利用变化, 解释力分别为94.50%和50.05%; 影响防风固沙服务变化空间分异性的主要因子是实际蒸散变化和土地沙化程度, 解释力分别为19.84%和16.15%.
(4) 奈曼旗2005年和2015年各项生态系统服务之间相关性较弱, 只有防风固沙-产水服务呈现弱显著的协同关系.
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